メカニカルスタック技術を用いた薄膜系多接合太陽...

メカニカルスタック技術

Bonding

Bonding

1st Cell

2nd Cell

3rd Cell

Bonding

Bonding

1st Cell

2nd Cell

3rd Cell Multi-Junction Cell

（目標）発電効率40%超、発電コスト7円/kWhを可能にする革新的メカニカル多接合太陽電池の実現

（内容）メカニカルスタック技術の先進化（スマートスタック）により、異種セルの自在接合および接合界面へ高度閉じ込め構造等導入し、超高効率特性目指す。

革新的多接合太陽電池

接合界面にナノ構造等を導入閉じ込め効果誇張

セルの自在接合セル材料自由度の拡大

メカニカルスタック技術を用いた薄膜系多接合太陽電池の開発

1st Cell

2nd Cell

3rd Cell

牧田紀久夫、水野英範、小牧弘典、松原浩司、仁木栄

薄膜系多接合太陽電池の構造例および効率予測

薄膜化合物系セルのスタック構造Ⅲ-Ⅴ族系、カルコゲナイド系等を融合する技術。

0

10

20

30

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50

60

0.4 0.6 0 .8 1 1.2 1 .4 1 .6 1 .8 2 2.2

Bottom Cell Eg:(eV)

Eff

icie

ncy:(

%)

2-Junction Cell

1-Junction Cell

3-Junction Cell

4-Junction Cell

5-Junction Cell

Lower line：QE-0.8, Rs-5ΩUpper line ：Theoretical limit

Bottom Cell Eg: (eV)

Effic

ienc

y η

: (%

)

0

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0.4 0.6 0 .8 1 1.2 1 .4 1 .6 1 .8 2 2.2

Bottom Cell Eg:(eV)

Eff

icie

ncy:(

%)

2-Junction Cell

1-Junction Cell

3-Junction Cell

4-Junction Cell

5-Junction Cell



Effic

ienc

y η

: (%

)２接合以上で

発電効率＞２５％可能

Bondingキーテクノロジー

CIGS Solar Cell( Eg<1.4eV)

GaAs Solar Cell(Eg>1.4eV)

Sunlight



Sunlight

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0 1 2

Voltage(V)C

urre

nt D

ensi

ty (m

A/c

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Pow

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Voltage(V)C

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Pow

er D

ensi

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W/c

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GaAs / CIGSe 2接合太陽電池の試作例（媒体接着法による）

発電効率: 9.8%開放電圧: 1.4V

n-GaAsp-GaAs(1.4eV)

n-ZnO

CIGSe(1.2eV)MoSLG

CdS

n-Electrode n-GaAsp-GaAs(1.4eV)

n-ZnO

CIGSe(1.2eV)MoSLG

CdS

n-Electrode

Bonding透明導電性テープ

要求されるメカニカルスタック技術

接合品質(導電性、透明性）量産性、高信頼性

開発中の接合技術

媒体接着：透明導電性テープ直接接着： Van der Waals法

Acrylic pressure Acrylic pressure sensitive adhesivesensitive adhesive

Ni fine particle Ni fine particle

Sun light

Current Top cell

Bottom cell

Double-sidedtape



Sun light

Current Top cell

Bottom cell

Double-sidedtape

透明導電性テープによる光 / 電気の直列接続実証

Ni粉体が含有されたテープ

Top cell Bottom cellTop cell Bottom cellBottom cell

Top cellProbe

Bottom cell

Top cellProbe

Transferring

Transferring Bottom cell

Top cell

Transferring


Top cell

Module

Bottom cell Binding materialBottom cell Binding materialBottom cell Binding material

ELO + Bonding

メカニカルスタック多接合太陽電池の量産化イメージ

高速マウンター装置

大面積転写装置

転送法

転写法

序論および製法

研究の目的および背景

実験

結論

牧田紀久夫・水野英範・小牧弘典・松原浩司・仁木栄産業技術総合研究所

太陽光発電工学研究センター

http://www.aist.go.jp/

メカニカルスタック技術を用いた薄膜系多接合太陽電池の開発

Bonding

Bonding

1st Cell

2nd Cell

3rd Cell

Bonding

Bonding

1st Cell

2nd Cell

3rd Cell Multi-Junction Cell

セルの自在接合セル材料自由度の拡大

接合界面にナノ構造等を導入閉じ込め効果誇張

1st Cell

2nd Cell

3rd Cell

（目標）発電効率40%超、発電コスト7円/kWhを可能にする革新的メカニカル多接合太陽電池の実現

（内容）メカニカルスタック技術の先進化（スマートスタック）により、異種セルの自在接合および接合界面へ高度閉じ込め構造等を導入し、超高効率特性を目指す。

Top cell Bottom cellTop cell Bottom cellBottom cell

Top cellProbe

Bottom cell

Top cellProbe

Transferring


Top cell

Transferring


Top cell

Module

Bottom cell Binding materialBottom cell Binding materialBottom cell Binding material

ELO + Bonding 高速マウンター装置

大面積転写装置

転送法

転写法

Bondingキーテクノロジー



Sunlight



Sunlight

薄膜化合物系セルのスタック構造Ⅲ-Ⅴ族系、カルコゲナイド系等を融合する技術。

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0 .4 0 .6 0.8 1 1.2 1.4 1 .6 1 .8 2 2.2

Bottom Cell Eg:(eV)

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2-Junction Cell

1-Junction Cell

3-Junction Cell

4-Junction Cell

5-Junction Cell



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2-Junction Cell

1-Junction Cell

3-Junction Cell

4-Junction Cell

5-Junction Cell



Effic

ienc

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)

２接合以上で発電効率＞２５％可能

メカニカルスタック技術革新的多接合太陽電池

薄膜系多接合太陽電池の構造例および効率予測

メカニカルスタック多接合太陽電池の量産化イメージ

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Voltage（V)

Curr

ent

Densi

ty（m

A/cm

2）

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20P

ow

er

Densi

ty（m

W/cm

2）

η:11.8% Voc:1.33VJsc:14.8mA/cm2 FF:0.6

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η:11.8% Voc:1.33VJsc:14.8mA/cm2 FF:0.6



Sun light

Current Top cell

Bottom cell

Double-sidedtape



Sun light

Current Top cell

Bottom cell

Double-sidedtape

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Voltage(V)

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Pow

er D

ensi

ty (m

W/c

m2 )η：9.8% Voc: 1.4V

Jsc : 11.0mA/cm2 FF : 0.64

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Voltage(V)

Cur

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Pow

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m2 )η：9.8% Voc: 1.4V

Jsc : 11.0mA/cm2 FF : 0.64

間接（媒体）接着法による試作直接接着法による試作

メカニカルスッタック技術のプロセス詳細

Isolation EtchIsolation Etch

HF EtchHF Etch

PV Process

(Pre-processing)

Transportation

PV Process

Sub.

Sacrificedlayer

Epitaxiallayer

PV Process

Sub.

Sacrificedlayer

Epitaxiallayer

Bottom cell process

Top cell process

Adhesive Bondingor

Direct Bonding

ELOPDMS

間接（媒体）接着

：

透明導電性テープ直接接着

：

Van der Waals法

ELO: Epitaxial Lift-off

n-GaAsp-GaAs(1.4eV)

n-ZnO

CIGSe(1.2eV)MoSLG

CdS

n-Electrode n-GaAsp-GaAs(1.4eV)

n-ZnO

CIGSe(1.2eV)MoSLG

CdS

n-Electrode

透明導電テープ透明導電性テープの原理

・間接（媒体）接着法によるGaAs/CIGSe 2接合素子試作・透明導電性テープの適用・接合抵抗<10Ωcm2、吸収損失

>50%・発電効率-9.8%実証（予測特性レベル）

・直接接着法によるGaAs/InGaAsP 2接合素子試作・Van der Waals法および独自の接合界面処理技術を導入・接合抵抗<10Ωcm2、吸収損失<5%・発電効率-11.8%実証（予測特性レベル）

p-InGaAsP(1.15eV)

n-InGaAsPn-InP

p-GaAs (1.4eV)

p-GaAs

p-InP substrate

n-electrode

p-electrode

n-GaAs

Van der Waals法

・革新的太陽電池実現のためにメカニカルスタック技術を検討・キーテクノロジーである接合技術として間接/直接接着法を検討、

実用的な接合品質を達成・今後の課題は、電流整合等の最適設計により高効率特性を実証

開発された接合技術の比較

・セルの表面平滑化が必要

（接着界面ﾗﾌﾈｽ<10nm）

・抵抗×透明性がﾄﾚｰﾄﾞｵﾌ短所

・接合品質（抵抗×透明性）良好

・高信頼性

・量産性

・セル選択の自由度大

長所

< 5 % > 50 %吸収損失

<10 Ωcm2 （best – 2Ωcm2）<10 Ωcm2 （best – 2Ωcm2）接合抵抗

Van-der-Waals法および独自の

接合界面処理技術透明導電性テープによる接着技術内容

直接接着法間接（媒体）接着法

・セルの表面平滑化が必要

（接着界面ﾗﾌﾈｽ<10nm）

・抵抗×透明性がﾄﾚｰﾄﾞｵﾌ短所

・接合品質（抵抗×透明性）良好

・高信頼性

・量産性

・セル選択の自由度大

長所

< 5 % > 50 %吸収損失

<10 Ωcm2 （best – 2Ωcm2）<10 Ωcm2 （best – 2Ωcm2）接合抵抗

Van-der-Waals法および独自の

接合界面処理技術透明導電性テープによる接着技術内容

直接接着法間接（媒体）接着法

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